基于樹(shù)莓派的無(wú)人值守信息處理系統(tǒng)

羅順元，李志強(qiáng)，馬文顥

(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

隨著畜牧養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；⒓s化，使得畜牧業(yè)生產(chǎn)廠家對(duì)畜禽舍環(huán)境調(diào)控設(shè)備的需求量急劇增加。我國(guó)的養(yǎng)豬業(yè)生產(chǎn)水平和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還比較落后，其中豬舍或豬場(chǎng)的環(huán)境問(wèn)題是導(dǎo)致我國(guó)養(yǎng)豬業(yè)生產(chǎn)力水平低下的重要限制因素。豬舍環(huán)境是一個(gè)多變量、大慣性、非線(xiàn)性系統(tǒng)，并且存在耦合，延時(shí)等現(xiàn)象，傳統(tǒng)方法在豬舍的環(huán)境調(diào)控中，環(huán)境因素之間缺乏有機(jī)的聯(lián)系，調(diào)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多不完善，難以適應(yīng)現(xiàn)代化管理的要求。

近些年來(lái)，伴隨著傳感器與處理器技術(shù)蓬勃發(fā)展，各式各樣的傳感器被應(yīng)用于多種領(lǐng)域。高精度測(cè)量傳感器的廣泛應(yīng)用使得環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)也取得了迅速的發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)方面，由英國(guó)慈善組織“Raspberry Pi基金會(huì)”開(kāi)發(fā)的樹(shù)莓派微型主板自問(wèn)世以來(lái)以其強(qiáng)大的功能和小巧的體積備受開(kāi)發(fā)者青睞，這款基于ARM的微型主板幾乎具備了個(gè)人計(jì)算機(jī)所有的基礎(chǔ)功能為低成本硬件應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供了可能。軟件方面，數(shù)字圖像處理技術(shù)在許多領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能、思維科學(xué)研究的迅速發(fā)展，數(shù)字圖像處理向更高、更深層次發(fā)展。人們已開(kāi)始研究如何用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解釋圖像，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)理解外部世界，這為通過(guò)圖像識(shí)別的方法進(jìn)行區(qū)域無(wú)人化監(jiān)管提供了可能。

綜合上述條件，為解決當(dāng)前國(guó)內(nèi)養(yǎng)豬場(chǎng)成本投入高，硬件鋪設(shè)困難的問(wèn)題，結(jié)合樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)人值守信息處理系統(tǒng)，以滿(mǎn)足對(duì)大型豬舍環(huán)境管理的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要應(yīng)用于大型養(yǎng)豬場(chǎng)，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于對(duì)環(huán)境變量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和對(duì)硬件成本的把控。整體系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)傳輸和移動(dòng)平臺(tái)3個(gè)部分。所采集的環(huán)境變量主要為溫度、濕度、空氣質(zhì)量、聲音以及圖像信息。系統(tǒng)中傳感器獨(dú)立外接與中央控制器，各傳感器獨(dú)立工作，采集的數(shù)據(jù)信息通過(guò)物理連接傳入樹(shù)莓派，樹(shù)莓派將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并做出相應(yīng)的響應(yīng)。處理完畢的數(shù)據(jù)通過(guò)物理連接直接顯示于本地顯示設(shè)備，同時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi傳輸協(xié)議上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控端，生成運(yùn)行日志。監(jiān)控端由一塊樹(shù)莓派搭建而成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件系統(tǒng)

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括核心控制模塊，多種傳感器模塊，聲音采集模塊，圖像采集模塊，移動(dòng)平臺(tái)，報(bào)警模塊，WiFi模塊，顯示模塊，供電模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控端等。

2.1 核心控制模塊

核心控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，承擔(dān)著驅(qū)動(dòng)傳感器、接收數(shù)據(jù)信息、處理信息的中央任務(wù)。考慮到成本和技術(shù)要求，采用樹(shù)莓派3B作為核心控制模塊。樹(shù)莓派是當(dāng)前應(yīng)用廣泛的控制平臺(tái)之一，它是基于ARM的微型電腦主板，幾乎具備傳統(tǒng)PC的所有基本功能。樹(shù)莓派具有豐富的GPIO接口，支持諸如I2C協(xié)議，SPI協(xié)議，串口通信協(xié)議等主流信息傳輸協(xié)議，能夠同時(shí)掛載多種器件。對(duì)于需要掛載在同一針腳的不同器件，可采用時(shí)分復(fù)用的方式，不同時(shí)刻分別驅(qū)動(dòng)不同器件，這樣有效解決控制器IO資源分配的問(wèn)題。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要用于對(duì)環(huán)境變量的監(jiān)測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳送至核心控制模塊進(jìn)行處理與傳輸。

2.2.1 溫濕度傳感器模塊

本系統(tǒng)選用AM2302溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度信息的采集。AM2302是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度符合傳感器，擁有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，具有響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。AM2302溫濕度傳感器模塊與樹(shù)莓派以單總線(xiàn)的方式連接，僅占用一個(gè)GPIO接口。供電可直接與樹(shù)莓派供電口并聯(lián)，無(wú)需外接電路。

2.2.2 煙霧傳感器模塊

采用MQ－135空氣污染監(jiān)測(cè)傳感器作為空氣指數(shù)采集設(shè)備。該傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸氣的靈敏度極高，具有壽命長(zhǎng)，低成本，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于氣體檢測(cè)領(lǐng)域。MQ－135空氣污染監(jiān)測(cè)傳感器配備預(yù)熱電路，通過(guò)感應(yīng)模塊電阻值的變化反饋環(huán)境信息。MQ－135模擬輸出與A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591連接。PCF8591掛載在樹(shù)莓派的I2C總線(xiàn)上，樹(shù)莓派能夠通過(guò)尋址獲取信息。

2.2.3 聲音采集模塊

樹(shù)莓派板載USB口資源，采用樹(shù)莓派外接USB聲卡配合3.5 mm接口麥克風(fēng)進(jìn)行聲音采集，確保設(shè)備能夠保證以標(biāo)準(zhǔn)采樣頻率44100 Hz進(jìn)行錄音。

2.2.4 圖像采集模塊

選用豪威科技出產(chǎn)的OV5647攝像頭模組該模組具有價(jià)格低廉，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。模組通過(guò)FFC軟排線(xiàn)與樹(shù)莓派預(yù)留的攝像頭接口直接相連，能夠完成實(shí)時(shí)采集圖像的任務(wù)。

2.2.5 顯示模塊

顯示模塊選用微雪出品的4.2inch墨水屏模塊。相較于LCD顯示設(shè)備，墨水屏具有功耗低，視角寬，顯示清晰，掉電保持等特點(diǎn)，十分適用于豬舍環(huán)境的顯示應(yīng)用。墨水屏與樹(shù)莓派通過(guò)SPI總線(xiàn)相連，接收樹(shù)莓派顯示指令。

2.2.6 WiFi模塊

樹(shù)莓派主板具有板載WiFi模塊，通過(guò)pythonsocket編程可完成雙機(jī)數(shù)據(jù)的互傳工作?？蓪?shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控端。

2.2.7 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊采用WT588D語(yǔ)音芯片模塊Pulse Width Modulation(PWM)輸出直接驅(qū)動(dòng)0.5W/8Ω揚(yáng)聲器。該語(yǔ)音芯片模塊帶SPI－Flash，可提前錄制并存儲(chǔ)多段不同的WAV格式報(bào)警信號(hào)音頻，以便在不同的報(bào)警需求下播放相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

2.2.8 供電模塊

系統(tǒng)供電采用電池供電，所選電池為航模鋰電池，后級(jí)配合3個(gè)7805系列穩(wěn)壓芯片并聯(lián)，進(jìn)行穩(wěn)壓輸出。單片7805穩(wěn)壓芯片理論輸出電壓5 V，最大輸出電流1.5 A，三片并聯(lián)理論輸出電壓為5 V，理論最大供電電流達(dá)4.5 A，保證了充足的電流供應(yīng)。

2.2.9 移動(dòng)平臺(tái)

移動(dòng)平臺(tái)由四輪小車(chē)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及陀螺儀MPU6050組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用LM298N雙通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)樹(shù)莓派GPIO進(jìn)行模擬占空比50%，50Hz的PWM輸出，從而對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行調(diào)速。轉(zhuǎn)向部分，通過(guò)改變小車(chē)舵機(jī)控制信號(hào)的占空比可以調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)轉(zhuǎn)向。四輪小車(chē)中心固定有陀螺儀，能夠回傳小車(chē)運(yùn)行時(shí)在空間坐標(biāo)系中的位置信息，系統(tǒng)依據(jù)陀螺儀回傳數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行方向控制，重心調(diào)整等動(dòng)作，保證小車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定。

(1) 添加生物炭可以改變土壤容重、飽和含水量、毛管孔隙度、田間持水量及水分蒸發(fā)量，隨生物炭含量的增加，土壤容重與飽和含水量表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，而毛管孔隙度和田間持水量則表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)主要包括各模塊的驅(qū)動(dòng)程序，數(shù)據(jù)收發(fā)程序，數(shù)據(jù)處理算法程序以及系統(tǒng)響應(yīng)命令程序。其主要是樹(shù)莓派端核心控制程序與數(shù)據(jù)處理程序的設(shè)計(jì)。

3.1 樹(shù)莓派端功能的實(shí)現(xiàn)

樹(shù)莓派微型主板在上電后主要完成各個(gè)模塊的初始化，等待開(kāi)始信號(hào)后，控制數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集工作，將所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示，并通過(guò)WiFi模塊上傳至上位機(jī) (PC)。預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)豬欄數(shù)為十個(gè)。其程序流程圖如圖2所示。

圖2 樹(shù)莓派端程序流程圖

3.2 環(huán)境變量數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

傳感器將所采集的環(huán)境變量信息通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)上傳至樹(shù)莓派。樹(shù)莓派對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行可信度判斷后，寫(xiě)入運(yùn)行日志。數(shù)據(jù)處理程序讀取運(yùn)行日志中數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合操作，評(píng)估程序結(jié)合所得的融合結(jié)果通過(guò)查表的方式對(duì)當(dāng)前環(huán)境是否適宜豬只生長(zhǎng)做出判斷。環(huán)境變量數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖3 環(huán)境變量數(shù)據(jù)融合過(guò)程

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，環(huán)境變量在一定時(shí)間內(nèi)變化的幅度應(yīng)符合基本物理原理，因此數(shù)據(jù)預(yù)處理部分采用前向比對(duì)法，將所得數(shù)據(jù)與前向可信數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，判斷突變系數(shù)，若突變系數(shù)不符合現(xiàn)實(shí)情況，則說(shuō)明當(dāng)前數(shù)據(jù)為不可信數(shù)據(jù)，進(jìn)行舍棄。例如常態(tài)下，環(huán)境溫度值由常溫在1秒內(nèi)上升1倍，即為不可能事件，所得數(shù)據(jù)為不可信數(shù)據(jù)。

樹(shù)莓派將一段時(shí)間內(nèi)的某傳感器所有的可信數(shù)據(jù)樣本求取均值即得到該傳感器環(huán)境變量真值，此真值用于數(shù)據(jù)融合以及判定是否進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，濕度調(diào)節(jié)等操作。

數(shù)據(jù)融合部分采用線(xiàn)性融合方式，所涉及變量為溫度，濕度。首先將環(huán)境變量進(jìn)行歸一化得到量綱相同的環(huán)境變量值，歸一化標(biāo)準(zhǔn)為溫度為20℃，濕度為70%?；谛竽令I(lǐng)域?qū)I(yè)資料得到豬只生長(zhǎng)環(huán)境判定中，各變量的權(quán)重值，得到模糊融合公式

式中S為融合指標(biāo)值，T為歸一化溫度，H為歸一化濕度，均無(wú)量綱。通過(guò)溫濕度適宜度利用查表法得到模糊評(píng)估結(jié)果。模糊評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表如表1所示，表中數(shù)據(jù)選取成長(zhǎng)期種豬為參考對(duì)象。采用優(yōu)先級(jí)查表方式，例如當(dāng)前數(shù)據(jù)若滿(mǎn)足“舒適”判定，則比對(duì)結(jié)束，不再向下比對(duì)。

表1 模糊評(píng)估法評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表

3.3 圖像處理算法

攝像頭所捕捉到的圖像為RGB格式，即每幅圖像由R，G，B3個(gè)通道組成，3個(gè)通道不同取值的疊加得到彩色的便于觀看的圖像。因此對(duì)圖像進(jìn)行通道分離后，不同通道分離結(jié)果分別具有原圖像的一部分噪聲信息，由于分離后的圖像只有單個(gè)通道，在噪聲去除方面可以得到更好的效果，對(duì)去噪后的單通道圖像進(jìn)行特征點(diǎn)的抓取，得到的結(jié)果進(jìn)行通道合成，一定程度上能夠提升特征提取結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.4 聲音處理算法

常態(tài)下家豬發(fā)出的聲音能量主要集中于低頻段，低頻段聲音頻譜幅度分布可以體現(xiàn)家豬的喜怒哀懼等情緒，當(dāng)遭遇險(xiǎn)情時(shí)，家豬發(fā)出的聲音能量集中于中高頻段，中高頻段聲音頻譜幅度分布可以體現(xiàn)某些危險(xiǎn)情況，如豬只受傷，外來(lái)入侵等，因此通過(guò)對(duì)于聲音幅度的監(jiān)測(cè)一定程度上可以體現(xiàn)當(dāng)前豬只的狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)樹(shù)莓派采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行采樣，并進(jìn)行傅里葉變換處理，可以得到當(dāng)前環(huán)境下豬舍內(nèi)部的聲音頻譜，濾波后保留豬只聲音和小部分環(huán)境音，對(duì)得到的幅度譜進(jìn)行監(jiān)控，聲音幅度譜變化與豬只行為建立映射，以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。

3.5 雙機(jī)通訊

樹(shù)莓派與PC之間的通信基于網(wǎng)絡(luò)通信新領(lǐng)域使用最廣泛的通信協(xié)議之一——傳輸控制協(xié)議 (TCP協(xié)議)編寫(xiě)。樹(shù)莓派端程序流程圖如圖4所示。PC端程序流程圖如圖5所示。

圖4 樹(shù)莓派端通信協(xié)議流程圖

圖5 PC端通信協(xié)議流程圖

程序設(shè)計(jì)分為PC端程序和樹(shù)莓派端程序，TCP通信基于套接字 (Socket)方式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)建立連接和應(yīng)答來(lái)保證通信質(zhì)量。在物理硬件層，樹(shù)莓派通過(guò)其板載WiFi接入網(wǎng)絡(luò)，依靠IP地址在組網(wǎng)中進(jìn)行尋址，通過(guò)預(yù)設(shè)的通信端口建立連接，與PC進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。

4 系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)整合實(shí)物圖如圖6所示。

整機(jī)上電運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定。墨水屏顯示效果如圖7所示 (該圖為某次測(cè)試結(jié)束后的顯示狀態(tài))。

圖7中，Temp為溫度值，Humy為濕度值，AQI為空氣中煙霧濃度 (數(shù)值越高對(duì)應(yīng)煙霧濃度越小)，Evaluate為融合后的評(píng)估信息，T_contral為溫度控制意見(jiàn)，H_contral為濕度控制意見(jiàn)，A_contral為空氣控制意見(jiàn)。

在某一段連續(xù)時(shí)間內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

由測(cè)試效果可知，系統(tǒng)能夠正確的采集所需要的環(huán)境變量信息并根據(jù)預(yù)設(shè)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與顯示。

圖6 系統(tǒng)整合實(shí)物圖

圖7 本地顯示效果圖

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

攝像頭采集到的圖像通過(guò)圖像處理算法后，樹(shù)莓派能夠在圖像中找到目標(biāo)并在圖中標(biāo)記，并將結(jié)果圖像傳送至PC。圖8為拍攝到相鄰兩個(gè)欄的豬經(jīng)處理后回傳的圖像。

圖8 PC端得到的圖像

圖像中的網(wǎng)格狀陰影為豬欄，兩側(cè)黑色陰影為墻壁，兩個(gè)灰色陰影區(qū)域?yàn)閷?shí)際豬只輪廓。左側(cè)為豬正常站立狀態(tài)，在圖像中呈現(xiàn)一個(gè)類(lèi)橢圓形陰影;右側(cè)是豬轉(zhuǎn)身狀態(tài)，豬的頭部向右側(cè)偏轉(zhuǎn)，圖像中呈現(xiàn)一個(gè)不規(guī)則陰影，通過(guò)與預(yù)設(shè)特征進(jìn)行比對(duì)，得到豬只當(dāng)前為轉(zhuǎn)身動(dòng)作的判斷。

PC端接收到聲音頻譜圖如圖9所示。

圖9 聲音譜分析

圖9中上下兩部分分別是常態(tài)下豬發(fā)出的聲音和豬發(fā)怒時(shí)發(fā)出聲音的頻率譜。從頻譜上看，聲音能量集中于低頻段，說(shuō)明沒(méi)有出現(xiàn)危急狀況。正常狀態(tài)下，豬發(fā)出聲音在0～15 kHz頻率段內(nèi)，幅度分布相對(duì)均勻，沒(méi)有出現(xiàn)能量集中現(xiàn)象;當(dāng)豬發(fā)怒時(shí)發(fā)出低沉的聲音，聲音的幅度主要集中于500 Hz以下，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的幅度分布做出不同的判斷。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠完成預(yù)期功能。測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠收集所需信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析和上傳等工作，可在現(xiàn)代化豬場(chǎng)中發(fā)揮作用，大大降低人力和物力的消耗，從而降低生產(chǎn)成本。由于樹(shù)莓派的可擴(kuò)展性和可編程性，用戶(hù)還可以根據(jù)需要自行進(jìn)行模塊的增減和算法的調(diào)整，以適應(yīng)不同領(lǐng)域的需求。